基於機抖雷射陀螺信號頻域特性的SINS動態誤差分析與補償算法研究

書籍信息

• 書名基於機抖雷射陀螺信號頻域特性的SINS動態誤差分析與補償算法研究
  
• 書號978-7-118-10173-7
  
• 作者潘獻飛，吳文啟，吳美平
  
• 出版時間2016年6月
  
• 譯者
  
• 版次1版1次
  
• 開本16
  
• 裝幀平裝
  
• 出版基金
  
• 頁數156
  
• 字數186
  
• 中圖分類TN965
  
• 叢書名國防科學技術大學慣性技術實驗室優秀博士學位論文叢書
  
• 定價50.00
  

內容簡介

隨著國內雷射陀螺水平的不斷提高，機抖雷射陀螺捷聯慣導系統在國內慣性技術套用領域正日益受到重視，發揮越來越重要的作用。機抖陀螺特有的機械抖動特性，在消除陀螺鎖區的同時，也使捷聯繫統具有一系列新的更為複雜的動態誤差特性，系統的最佳化設計與誤差補償研究具有尤其重要的理論和現實意義。

本書以機抖雷射陀螺捷聯慣導系統為研究對象，提出了捷聯繫統的算法設計必須與系統的信號特性和套用環境相適應的思想，基於機抖雷射陀螺在不同條件下的信號頻域特性，開展了捷聯慣導系統動態誤差與補償算法研究。本書主要完成了以下研究工作：（1）研究了雷射陀螺的數字控制特性，設計了新的數字控制方法，為陀螺信號頻域特性研究奠定了基礎。根據陀螺的抖動偏頻機理，研究了陀螺靜態和動態鎖區的誤差特性，探討了抖動參數與陀螺精度的關係，得到了陀螺抖動參數的選取原則；設計了一種新的不同於模擬抖動的非線性抖幅控制方法、隨機注入方法和一種新的適於數字實現的直流穩頻控制算法，建立了機抖雷射陀螺數字控制系統。新算法大大簡化了陀螺控制系統的硬體實現，提高了系統可靠性和可擴展性，改善了控制精度。（2）研究了機抖雷射捷聯繫統的動態誤差特性，建立了系統動態誤差的最佳化處理原則。首先比較研究了整周期同步和數字濾波兩種抖動解調方法，指出數字濾波法為提高捷聯繫統精度提供了更多更靈活的手段和可能性，已逐步取代前者得到了廣泛套用；之後分類研究了捷聯繫統的動態特性，根據運動來源和運動性質的不同，對系統可能存在的圓錐和劃搖運動進行了分類，建立了以減振器濾除干擾運動、以濾波器濾除干擾噪聲的系統動態誤差最佳化處理原則；最後把上述結論套用於機抖雷射捷聯繫統，結合實際信號的頻譜特點，研究了靜態環境中陀螺抖動偏頻和抖動耦合引入的各種動態誤差及處理方法，振動環境中高頻諧波振動引入的動態誤差及處理方法，指出主振動的高頻諧波是振動環境下影響系統精度的主要因素。

（3）基於陀螺數字濾波的信號處理方式，提出應把陀螺信號濾波後的幅頻和相頻畸變作為影響捷聯繫統姿態解算精度的重要誤差因素進行研究，指出通常的濾波器通帶指標一般不能滿足姿態解算的信號穩定性要求，可能嚴重影響捷聯繫統姿態解算精度。設計了一種新的能與信號頻域特性相匹配的圓錐最佳化算法，推導了經典圓錐運動下的圓錐最佳化算法公式，研究了算法的誤差特性，證明了該算法在任意運動形式下的普適性，並擴展了其在消除偽圓錐誤差和補償陀螺自身頻率特性時的套用。最佳化算法不增加任何算法實現難度和計算量，最佳化效果與濾波器性能相關。仿真和實驗研究表明，最佳化算法能有效補償信號濾波引入的圓錐誤差，隨信號濾波條件的不同能提高數倍到數個量級的姿態解算精度。

（4）圓錐算法受陀螺信號濾波影響，劃搖算法同時受陀螺和加速度計兩者的信號濾波影響。提出把陀螺和加速度計兩者信號的濾波畸變作為影響捷聯繫統導航解算精度的重要誤差因素進行研究，設計了一種新的能與信號頻域特性相匹配的劃搖最佳化算法，推導了經典劃搖運動下的劃搖最佳化算法公式，揭示了在相同的信號濾波條件下的劃搖最佳化算法和圓錐最佳化算法依然滿足算法的“對偶”關係，並證明了最佳化算法在任意運動形式下的普適性。仿真和實驗表明，劃搖最佳化算法具有與圓錐最佳化算法相似的誤差特性，能有效補償信號濾波引入的劃搖誤差，顯著改善捷聯繫統導航精度。

（5）針對角振動環境，設計了一種新的基於固定頻率運動最佳化的圓錐算法。不同於標準算法誤差隨圓錐頻率單調變化的特性，新算法在設定頻點處具有誤差極小點，因而能有效改善系統在特定頻帶上的姿態解算精度。當系統運動環境已知且運動頻帶較窄時，最佳化算法具有良好的套用效果。最後，把基於信號頻域特性的圓錐和劃搖最佳化算法組成一套完整的最佳化導航算法，通過Matlab捷聯繫統仿真平台和某型機抖雷射捷聯繫統在轉台晃動、環形車載和遠距離車載等動態環境中的實驗，研究了信號頻域特性對捷聯繫統導航精度的影響，驗證了最佳化算法在不同運動環境和不同信號濾波條件下的補償性能。

目錄

第1章　緒論1

1．1　研究背景及意義1

1．2　國內外研究現狀4

1．2．1　雷射陀螺控制技術研究現狀4

1．2．2　雷射陀螺信號頻域特性研究現狀6

1．2．3　導航算法動態誤差補償技術研究現狀7

1．3　本書的主要內容、組織結構及主要貢獻10

1．3．1　本書的主要內容與組織結構10

1．3．2　本書的主要貢獻12

第2章　雷射陀螺數字控制特性研究14

2．1　雷射陀螺基本原理14

2．1．1　雷射陀螺的工作原理14

2．1．2　雷射陀螺誤差特性16

2．2　雷射陀螺抖動規律研究17

2．2．1　抖動偏頻基本原理17

2．2．2　抖動偏頻的誤差特性研究21

2．2．3　隨機抖動的誤差特性研究22

2．3　雷射陀螺數字抖動控制算法研究23

2．3．1　數字抖動控制流程24

2．3．2　數字抖動控制建模25

2．3．3　數字抖動的抖幅控制算法27

2．3．4　數字隨機抖動注入的控制算法28

2．4　雷射陀螺數字穩頻算法研究30

2．4．1　穩頻控制原理30

2．4．2　數字直流穩頻算法設計32

2．5　雷射陀螺數字控制系統實現與實驗驗證35

2．5．1　陀螺控制系統總體結構35

2．5．2　陀螺測試與實驗36

2．6　本章小結39

第3章　基於信號頻域特性的SINS動態誤差特性研究40

3．1　單個雷射陀螺原始信號的頻域特性40

3．2　雷射陀螺抖動解調方法研究41

3．2．1　雷射陀螺信號的前期處理41

3．2．2　陀螺抖動解調方式對比研究43

3．3　捷聯繫統動態誤差的分類及處理原則46

3．3．1　捷聯繫統的基本結構47

3．3．2　捷聯繫統中圓錐和劃搖運動的分類48

3．3．3　不同性質的動態誤差處理原則50

3．3．4　信號頻域特性與系統動態誤差的關係51

3．4　不同環境中的捷聯繫統動態誤差研究53

3．4．1　捷聯繫統中的陀螺信號頻域特性54

3．4．2　靜態環境中的捷聯繫統動態誤差研究57

3．4．3　高頻振動環境中的捷聯繫統動態誤差研究64

3．5　本章小結68

第4章　基於信號頻域特性的圓錐最佳化算法研究69

4．1　圓錐誤差機理69

4．1．1　圓錐漂移69

4．1．2　標準圓錐算法72

4．1．3　圓錐算法誤差特性75

4．2　信號濾波引入的姿態解算誤差研究77

4．2．1　信號濾波引入姿態解算誤差的機理78

4．2．2　信號濾波引入的姿態解算誤差特性79

4．3　基於信號頻域特性的圓錐最佳化算法設計83

4．3．1　信號濾波引入誤差的補償思路83

4．3．2　圓錐最佳化算法設計84

4．3．3　圓錐最佳化算法的誤差特性88

4．3．4　圓錐最佳化算法的運動環境普適性證明94

4．4　圓錐最佳化算法在機抖雷射捷聯繫統中的套用95

4．4．1　相對圓錐誤差95

4．4．2　姿態算法漂移仿真98

4．4．3　系統實驗驗證99

4．4．4　圓錐最佳化算法的適用條件100

4．5　圓錐最佳化算法的擴展套用101

4．5．1　消除偽圓錐誤差101

4．5．2　對陀螺自身頻率特性的補償102

4．6　基於固定頻率運動最佳化的圓錐算法102

4．6．1　基於固定頻率運動最佳化的圓錐算法設計102

4．6．2　姿態算法漂移仿真105

4．7　本章小結106

第5章　基於信號頻域特性的劃搖最佳化算法研究108

5．1　劃搖誤差機理108

5．1．1　劃搖漂移108

5．1．2　標準劃搖算法110

5．1．3　劃搖算法與圓錐算法的對偶關係112

5．1．4　劃搖算法的誤差特性114

5．2　信號濾波引入的導航解算誤差研究115

5．2．1　信號濾波引入導航解算誤差的機理115

5．2．2　信號濾波引入的劃搖算法誤差特性116

5．3　基於信號頻域特性的劃搖最佳化算法設計118

5．3．1　劃搖最佳化算法設計118

5．3．2　劃搖最佳化算法與圓錐最佳化算法的對偶性120

5．3．3　劃搖最佳化算法的誤差特性121

5．3．4　劃搖最佳化算法的運動環境普適性證明123

5．4　本章小結124

第6章　機抖雷射捷聯繫統動態誤差仿真與實驗研究125

6．1　圓錐和劃搖最佳化算法的綜合仿真125

6．1．1　捷聯繫統仿真模型125

6．1．2　信號濾波對導航精度的影響128

6．1．3　最佳化導航算法的性能驗證130

6．2　最佳化導航算法的實驗驗證131

6．2．1　轉台晃動實驗132

6．2．2　環形路線車載實驗137

6．2．3　遠距離車載實驗142

6．3　本章小結146

第7章　結論與展望147

7．1　全書總結147

7．2　研究展望149

參考文獻150"